Nghiên cứu thực nghiệm công suất máy phát điện gió dựa trên hiện tượng flutter

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảmứng điện từ Cụ thể, khi được đặt ngang với dòng khí, sợi dây không dao động.. Hình 6: Dạng dao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DỰA TRÊN HIỆN TƯỢNG FLUTTER

Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quý

TS Vũ Quốc Huy Sinh viên thực hiện: Đỗ Trung Anh

HÀ NỘI, 06/2017

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: Đỗ Trung Anh

Điện thoại liên lạc: 01663494850 Email: dta1094@gmail.com

Lớp: Kỹ thuật Hàng không – K57 Hệ đào tạo: Chính quy

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, Viện Cơkhí Động lực

Thời gian làm ĐATN:

Ngày giao nhiệm vụ: 18/01/2017

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/06/2017

2 Mục đích nội dung của ĐATN

Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm công suất máy phát điện gió dựa trên hiện tượng flutter” nhằm mục đích thực hiện nghiên cứu, kiểm nghiệm và tiếp tục hoàn thiện mô

hình máy phát điện gió cỡ nhỏ, ứng dụng hiện tượng Flutter và cảm ứng điện từ(windbelt); qua đó cải tiến nâng cao công suất

3 Đề tài bao gồm các nội dung chính như sau:

a) Tổng quan: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng hoạt động

của máy phát điện

b) Chế tạo mạch đo: Nhằm mục đích phục vụ đo thực nghiệm với mô hình lớn với điều

kiện gió thực tế và làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo

c) Thiết kế, chế tạo mô hình: Thiết kế và chế tạo và lắp ghép mô hình Windbelt với kích

thước lớn hơn nhằm tăng công suất

d) Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện đo và phân tích kết quả với mô hình trong ống

khí động và trong điều kiện gió thực

e) Kết luận, đánh giá khả năng ứng dụng và phương hướng phát triển.

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi – Đỗ Trung Anh – cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Đình Quý và TS Vũ Quốc Huy Các kết quả nêu trong ĐATN là

trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2017

Tác giả ĐATN

Đỗ Trung Anh

5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành và cho phép bảo vệ:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

TS Vũ Đình Quý TS Vũ Quốc Huy

6 Nhận xét của giáo viên phản biện

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày 20 tháng 06 năm 2017

Giáo viên phản biện

TS Đinh Tấn Hưng

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WINDBELT 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm 5

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả làm việc 5

1.2.2 Các mô hình đã được thử nghiệm 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO PHỤC VỤ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG WINDBELT 12

2.1 Mục đích và chức năng 12

2.2 Nguyên lý mạch đo 12

2.3 Thiết kế, chế tạo mạch đo 13

2.3.1 Thiết kế mạch 13

2.3.2 Chế tạo mạch 13

2.4 Hoàn thiện mạch đo 14

2.4.1 Lắp ráp hoàn thiện mạch đo 14

2.4.2 Thử nghiệm mạch 18

2.4.3 Đánh giá khả năng làm việc và tính năng của mạch đo mới 22

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 24

3.1 Mô hình Windbelt thực nghiệm trong ống khí động 24

3.2 Thiết kế, chế tạo mô hình Windbelt thử nghiệm trong điều kiện thực tế 24

3.2.1 Cơ sở lý thuyết 25

3.2.2 Tính toán sơ bộ 26

3.2.3 Thiết kế chi tiết 27

3.2.4 Chế tạo và lắp ghép mô hình 30

3.2.5 Lắp ráp mô hình hoàn chỉnh 33

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 34

4.1 Thực nghiệm trong ống khí động với mô hình nhỏ 34

4.1.1 Tiến hành thí nghiệm 34

4.2 Kết quả thí nghiệm 37

4.2.1 Ảnh hưởng của lực căng dây 37

4.2.2 Ảnh hưởng của góc tấn tới vận tốc gió gây dao động 45

4.2.3 Dòng điện và công suất khi có tải 48

4.2.4 Ảnh hưởng của góc tấn 49

4.2 Thực nghiệm trong điều kiện gió thực với mô hình lớn 50

4.2.1 Mục đích thực nghiệm 50

4.2.2 Tiến hành thực nghiệm 51

4.2.3 Lựa chọn địa điểm thực nghiệm 52

4.2.4 Kết quả khảo sát 53

4.2.5 So sánh kết quả khảo sát 58

4.2.6 Đối chiếu kết quả khảo sát với tính toán lý thuyết 60

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 61

5.1 Khả năng hoạt động và ứng dụng 61

5.2 Phương hướng phát triển 61

5.2.1 Nghiên cứu, phát triển mạch sạc, lưu trữ năng lượng từ windbelt 61

5.2.2 Nghiên cứu, thay đổi thiết kế 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Windbelt 2

Hình 2: Cấu tạo Windbelt 2

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảm ứng điện từ 3

Hình 4: Dạng dao động biên 3

Hình 5: Dạng dao động góc 4

Hình 6: Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: Kết hợp giữa dao động biên và dao động góc 4

Hình 7: Sơ đồ mô hình thực nghiệm 5

Hình 8: Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng dây 6

Hình 9: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào lực căng dây 6

Hình 10: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào góc tấn 7

Hình 11: Đồ thị điện áp ra phụ thuộc vào góc tấn 8

Hình 12: Đồ thị điện áp trong hai trường hợp máy phát đặt ngang và dọc 9

Hình 13: Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30% và 50% chiều dài dây 9

Hình 14: Đồ thị điện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác nhau 10

Hình 15: Máy phát thực tế đã được chế tạo 10

Hình 16: Máy phát dạng ghép nhiều tấm sau khi đã được chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh 11

Hình 17 :Sơ đồ nguyên lý mạch đo 12

Hình 18: Mạch in được thiết kế băng phần mềm Altium Designer 13

Hình 19: Mạch đo điệp áp và cường độ dòng điện 14

Hình 20: Nguồn pin cho mạch đo 15

Hình 21: Module vi xử lý PIC 15

Hình 22: Module cảm biến dòng ACS712 – 5A 16

Hình 23: Module thẻ nhớ MicroSD/TF 16

Hình 24: Module thu và đưa dữ liệu lên máy tính qua cổng USB 17

Hình 25: Module truyền phát dữ liệu từ mạch đo 17

Hình 26: Các module sau khi được ghép nối 18

Hình 27: Mạch hoàn chỉnh 18

Hình 28: Mô phỏng thử nghiệm chức năng đo của mạch 19

Hình 29: Kết quả kiểm nghiệm mạch với Pin AA 20

Hình 30: Dữ liệu truyền về từ khoảng cách 100m 21

Hình 31: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng Excel 22

Hình 32: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng text 22

Hình 33: Mô hình Windbelt trong thử nghiệm trong ống khí động 24

Hình 34: Minh họa diện tích quét của Windbelt 25

Hình 35: Giá đỡ Windbelt 27

Hình 36: Trụ giữ Windbelt 28

Hình 37: Dây dao động 28

Hình 38: Nam châm 29

Hình 39: Cuộn dây 29

Hình 40: Mô hình 3D Windbelt 30

Hình 41: Gỗ dùng để làm khung giá Windbelt 30

Hình 42: Dây camera film dùng làm dây dao động 31

Hình 43: Nam châm 31

Hình 44: Các bộ phận khung giá sau khi được chế tạo 32

Hình 45: Cuộn dây sau khi quấn 32

Hình 46: Mạch chỉnh lưu, tụ bù và dây dẫn lấy dòng từ Windbelt 33

Hình 47: Mô hình sau khi lắp hoàn chỉnh 33

Hình 48: Ống khí động 35

Hình 49: Mạch đo 36

Hình 50: Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây vải dù 38

Hình 51: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây vải dù 39

Hình 52: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây vải dù 40

Hình 53 Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây film 41

Hình 54: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây film 42

Hình 55: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây film 43

Hình 56: Giá trị điện áp phụ thuộc lực căng dây ở các vận tốc gió khác nhau 44

Hình 57: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tới hạn trường hợp dây vải dù 45

Hình 58: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây vải dù 46

Hình 59: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tới hạn trường hợp dây film 47

Hình 60: : Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây film 48

Hình 61: So sánh vận tốc tới hạn phụ thuộc góc tấn 49

Hình 62: So sánh vận tốc duy trì phụ thuộc góc tấn 50

Hình 63: Mô hình Windbelt 51

Hình 64: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong khoảng 1h khảo sát tại nhà 53 Hình 65: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong khoảng 2 phút khảo sát tại nhà 54

Hình 66: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất biến thiên trong 2 giây 55

Hình 67: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong khoảng 1h khảo sát tại cầu Đông Trù 56

Hình 68: Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất trong 2 phút khảo sát tại cầu Đông Trù 57

Hình 69: : Đồ thị điện áp, cường độ dòng và công suất biến thiên trong 2 giây khảo sát tại cầu Đông Trù 58

Hình 70: Sơ đồ nguyên lý thu dòng điện từ Windbelt 62

Hình 71: Mô hình vỏ và cửa hướng dòng 62

Hình 72: Mô hình phối trí dạng trụ 63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Điều kiện biên thí nghiệm xét ảnh hưởng của lực căng dây tới dạng dao động,

dòng điện và điện áp 5

Bảng 2: Điều kiện biên trường hợp ảnh hưởng lực căng dây tới vận tốc gió xuất hiện và vận tốc gió duy trì dao động 6

Bảng 3: Điều kiện biên của thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ duy trì và tốc độ tới hạn 7

Bảng 4: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp 8

Bảng 5: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của phương đặt thiết bị 8

Bảng 6: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm 9

Bảng 7: Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây vải dù 37

Bảng 8: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây vải dù 38

Bảng 9: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây vải dù 39

Bảng 10: Vận tốc kích thích phụ thuộc lực căng dây film 40

Bảng 11: Vận tốc tới hạn phụ thuộc lực căng dây film 41

Bảng 12: Vận tốc duy trì phụ thuộc lực căng dây film 42

Bảng 13: Giá trị điện áp phụ thuộc lực căng dây ở các vận tốc gió khác nhau 44

Bảng 14: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tới hạn trường hợp dây vải dù 45

Bảng 15: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây vải dù 46

Bảng 16: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc tói hạn trường hợp dây film 46

Bảng 17: Ảnh hưởng của góc tấn đến vận tốc duy trì trường hợp dây film 47

Bảng 18: So sán giá trị điện áp, cường độ dòng avf công suất tại 2 địa điểm khảo sát 59

Bảng 19: Kết quả so sánh, đối chiếu lý thuyết và thực tế 60

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất và

đã được con người tận dụng từ hàng trăm năm nay Trước kia, con người đã dùng nănglượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, sử dụng các cối xay gió để sinhcông cơ học để bơm nước hoặc xay bột

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã chế tạo được nhữngtua bin gió để sản xuất điện trên quy mô lớn Tuy nhiên chi phí chế tạo, lắp đặt và duy trì

là rất lớn, vì thế đã có những ý tưởng về một máy phát điện gió nhỏ, chi phí thấp, đápứng một số tải nhỏ trong gia đình Đây là một hướng đi mới và tiềm năng

Để tiếp tục phát triển định hướng này, em tiếp nhận đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm

công suất máy phát điện gió dựa trên hiện tượng flutter”, để thực hiện nghiên cứu,

kiểm nghiệm và tiếp tục hoàn thiện mô hình máy phát điện gió cỡ nhỏ, ứng dụng hiệntượng Flutter và cảm ứng điện từ Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, em sẽ tìm hiểunguyên lý cơ bản của mô hình, chế tạo mạch đo, thiết kế chế tạo mô hình và thực nghiệmtrong điều kiện gió thực Hy vọng với những đóng góp nhỏ bé của em có thể giúp hoànthiện hơn và đưa máy phát điện gió cỡ nhỏ này vào ứng dụng thực tế

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Vũ Đình Quý và TS Vũ Quốc Huy vì sựhướng dẫn và giúp đỡ tận tình để em có thể hoàn thành đề tài

Sinh viên thực hiện

Đỗ Trung Anh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WINDBELT 1.1 Giới thiệu chung

Windbelt là một thiết bị thu nhận và biền đổi năng lượng gió thành năng lượng điện,được phát minh bởi Shawn Frayne vào năm 2004[1]

Hình 1: Windbelt

Hình 2: Cấu tạo Windbelt

Cấu tạo của Windbelt bao gồm 1 dây mảnh, nam châm, cuộn dây đồng, khung giá để gắncác thành phần (Hình 2)

Nguyên lý hoạt động của Windbelt dựa trên hai hiện tượng chính:

- Hiện tượng flutter trong khí động đàn hồi

- Hiện tượng cảm ứng điện từ

Dây mảnh ngàm hai đầu sẽ dao động tự kích trong dòng khí có vận tốc nhất định, namchâm gắn trên dây dao động đặt cạnh cuộn dây điện sẽ tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ,sinh ra dòng điện

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiện tượng flutter và hiện tượng cảm

ứng điện từ

Cụ thể, khi được đặt ngang với dòng khí, sợi dây không dao động Tuy nhiên, khi có mộttác động bất kì làm thay đổi phương của sợi dây, ngay lập tức lực tác động của dòng khítăng lên, làm biến dạng và phương chênh lệch của sợi dây càng lớn; đồng thời lực cũnglàm sợi dây dịch chuyển so với vị trí ngang ban đầu Khi dây dần dịch chuyển tới vị trí cóbiên độ cực đại, phương chênh lệch và lực cũng giảm dần; đồng thời khi đó lực đàn hồicủa vật liệu sẽ có tác dụng kéo sợi dây về vị trí ban đầu Sau đó sợi dây sẽ dịch chuyểnvới phương thức tương tự nhưng theo hướng ngược lại so với lúc trước Quá trình trêndiễn ra liên tục làm sợi dây dao động

Khi nam châm đặt lên cuộn dây, nam châm sẽ có 2 dạng dao động chính: dao động biên(Hình 4) và dao động góc (Hình 5)

Dao động biên là dạng dao động lên xuống: nam châm dao động theo trục thẳng đứng

Hình 4: Dạng dao động biên

Dao động xoay hay dao động góc: nam châm xoay quanh trục ngang

Hình 5: Dạng dao động góc

Phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi của dây mảnh, cụ thể là độ cứng chống uốn và độ cứngchống xoắn mà nam châm sẽ có các kiểu dao động khác nhau Thông thường, kiểu daođộng của nam châm trong Windbelt là dạng kết hợp giữa dao động biên và dao động góc(Hình 6)

Hình 6: Dạng dao động chính của nam châm trong Windbelt: Kết hợp giữa dao động biên và

dao động góc

Dạng dao động, tần số dao động hay biên độ dao động của nam châm khi gắn trên dâymảnh sẽ ảnh hưởng tới công suất đầu ra của máy phát điện Các thông số trên phụ thuộcvào rất nhiều yếu tố như: lực căng dây mảnh; vị trí đặt nam châm; góc tấn; …

1.2 Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả làm việc

Hình 7: Sơ đồ mô hình thực nghiệm

Trong “Đề tài nghiên cứu ứng dụng nguyên lý hiện tượng Flutter chế tạo mô hình máyphát điện với công suất siêu nhỏ”[2], một số thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của cácthông số đến khả năng hoạt động của thiết bị đã được tiến hành

1.2.1.1 Ảnh hưởng của lực căng dây

Tiến hành thí nghiệm với điều kiện biên như bảng 1, để khảo sát ảnh hưởng của lực căngdây tới dạng dao động và dòng điện và điện áp

Bảng 1: Điều kiện biên thí nghiệm xét ảnh hưởng của lực căng dây tới dạng dao động, dòng

điện và điện áp

Kết quả thu được như đồ thị hình 8:

3 5 7 10 13 15 18 20 23 25 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

1.2

Điện áp (V)

Hình 8: Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện phụ thuộc vào lực căng dây

Tiếp tục tiến hành thí nghiệm với điều kiện biên như bảng 2, để khảo sát vận tốc gió tốithiểu để xuất hiện dao động (tốc độ tới hạn) và vận tốc gió tối thiểu để duy trì dao động(tốc độ duy trì)

Bảng 2: Điều kiện biên trường hợp ảnh hưởng lực căng dây tới vận tốc gió xuất hiện và vận tốc

gió duy trì dao động

Kết quả thu được như đồ thị hình 9:

0 1 2 3 4 5 6 7 8

9

Tốc độ tới hạn

Kết luận: Lực căng dây ảnh hưởng đến dạng dao động của dây, vận tốc gió tối thiểu đểxuất hiện dao động cũng như vận tốc tối thiểu để duy trì dao động đó ổn định.

- Lực căng càng lớn thì nam châm càng có xu hướng dao động góc

- Dao động góc có hiệu quả cao hơn dao động biên Nhưng nếu lực căng dây quálớn thì biên độ dao động góc giảm dẫn tới hiệu quả máy phát giảm

- Dây càng căng thì tốc độ tối thiểu để máy phát hoạt động càng tăng

1.2.1.2 Ảnh hưởng của góc tấn

Tiến hành thí nghiệm để xem xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ tới hạn và tốc độ duytrì của máy phát Việc thay đổi góc tấn khác 0 coi như việc ta tạo cho sợi dây một kíchthích dao động ban đầu Điều kiện biên của thí nghiệm cho trong bảng 3:

Bảng 3: Điều kiện biên của thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới tốc độ duy trì và tốc độ tới

hạn

Kết quả thu được như đồ thị hình 10:

0 1 2 3 4 5 6

Tốc độ tới hạn Tốc độ duy trì

Hình 10: Đồ thị vận tốc gió tới hạn và duy trì phụ thuộc vào góc tấn

Để xem xét xem ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp ra, thí nghiệm được tiến hành với điềukiện biên như bảng 4:

Phương căng dây Ngang Lực căng dây 10N

Bảng 4: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của góc tấn tới điện áp

Kết quả thu được như đồ thị hình 11:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

- Góc tấn khác không cho hiệu quả làm việc tốt hơn

1.2.1.3 Ảnh hưởng của phương đặt thiết bị

Khi máy phát nằm ngang, trọng lượng của nam châm sẽ có phương vuông góc vớiphương sợi dây, tuy nhiên nếu đặt đứng thì trọng lượng lại có phương dọc theo sợi dây

Để xem xét ảnh hưởng của phương vị đặt máy phát tới hiệu quả hoạt động, thí nghiệmđược tiến hành với điều kiện biên như bảng 5:

Bảng 5: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của phương đặt thiết bị

Kết quả thu được như đồ thị hình 12:

5.5 6 6.5 7 7.5 8 9 10 11 12 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

U dọc (V)

U ngang (V)

Hình 12: Đồ thị điện áp trong hai trường hợp máy phát đặt ngang và dọc

Kết luận: Phương đặt máy phát không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của thiết bị

1.2.1.4 Ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm

Để xem xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm đến hoạt động của thiết bị, tiến hành thínghiệm với điều kiện như bảng 6:

Bảng 6: Điều kiện thí nghiệm xét ảnh hưởng của vị trí đặt nam châm

Kết quả thu được như đồ thị hình 13:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Hình 13: Đồ thị điện áp theo vận tốc gió với ba vị trí đặt nam châm khác nhau: 10%; 30% và

50% chiều dài dây

Kết luận: Nam châm đặt càng gần giữa thì tốc độ tới hạn và hiệu quả làm việc càng tốt

1.2.1.5 Ảnh hưởng của kích thước nam châm

Để xem xet ảnh hưởng của kích thước nam châm, thí nghiệm đã được tiến hành lần lượtvới các nam châm có kích thước nhỏ, vừa và lớn, tương ứng là 8mm, 10mm và 20mm ởcác tốc độ gió khác nhau

Kết quả thu được như đồ thị hình 14:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

4

Nhỏ Vừa Lớn

Hình 14: Đồ thị điện áp phụ thuộc vào tốc độ gió với ba loại nam châm khác nhau

Kết luận: Nam châm có kích thước lớn cho hiệu quả làm việc tốt hơn hẳn so với kíchthước nhỏ

1.2.2 Các mô hình đã được thử nghiệm

Cũng trong [2], hai mô hình máy phát đã được chế tạo và thử nghiệm và cho những kếtquả như sau:

1.2.2.1 Máy phát công suất nhỏ Windbelt

Hình 15: Máy phát thực tế đã được chế tạo

- Cấu tạo:

- Sử dụng 1 cặp nam châm lớn đường kính 2cm đặt chính giữa

- Sử dụng dây vải dù rộng 1cm, dài 35cm Dây căng

- Chỉ sử dụng 1 cuộn dây 2500 vòng để kết cấu đơn giản

- Máy phát đặt nằm ngang hoặc dọc

- Góc tấn ban đầu bằng 0

- Sử dụng ống nhôm vuông có sẵn làm khung, đảm bảo độ bền và khối lượng nhẹ

- Kết quả thu được:

- Thiết bị hoạt động tốt ở điều kiện gió thông thường, có thể vận hành một số thiết

bị điện tử nhỏ

- Ở điều kiện gió khoảng 5 - 6 m/s, thu được điện áp khoảng 2,5V, công suấtkhoảng 2mW

1.2.2.2 Máy phát kết hợp nhiều Windbelt

Hình 16: Máy phát dạng ghép nhiều tấm sau khi đã được chế tạo, lắp ghép hoàn chỉnh.

- Cấu tạo:

Kết hợp nhiều Windbelt mắc song song, khi đó, mỗi windbelt sẽ coi như một đơn vịphát điện

- Kết quả thu được:

- Thiết bị hoạt động tốt ở điều kiện gió thông thường,cho công suất và điện áp lớnhơn khi chỉ sử dụng 1 Windbelt

- Khi kết hợp 5 Windbelt, điện áp thu được lên đến khoảng 10V, công suất có thểđạt 400mW ở tốc độ gió 12m/s

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO PHỤC VỤ KHẢO

SÁT HOẠT ĐỘNG WINDBELT 2.1 Mục đích và chức năng

Mục đích cần phải thiết kế, chế tạo mạch đo là để thu thập dữ liệu hoạt động củaWindbelt, trước tiên là thử nghiệm trong ống khí động, tiếp đó là phục vụ khảo sát trongđiều kiện gió thực

Mạch đo có chức năng xác định điện áp và cường độ dòng điện mà Windbelt cung cấpcho 1 tải Những số liệu thu được sẽ giúp tính toán công suất của Windbelt, từ đó xâydựng phương án làm mạch nạp để lưu trữ năng lượng điện sinh do Windbelt sinh ra vàopin

2.2 Nguyên lý mạch đo

Để đảm bảo những yêu cầu nêu trên, nguyên lý mạch đo được thiết kế như hình 17

Hình 17 :Sơ đồ nguyên lý mạch đo

- Input: Tín hiệu đầu vào Tín hiệu này được kết nối đến vi điều khiển ở dạng điện

áp tương tự (Analog) đối với cả đo điện áp và đo cường độ dòng điện Vì cường

độ dòng điện là thông số mà vi điều khiển không thể hiểu trực tiếp nên tín hiệuđầu vào của cường độ dòng điện được chuyển về dạng điện áp thông qua 1 môđuncảm biến dòng

- Khối vi điều khiển: Có chức năng nhận tín hiệu vào từ khối Input ở dạng điện áptượng tự, chuyển tín hệu tương tự sang tín hiệu số nhờ các bộ chuyển đổi ADC,sau đó cho tín hiệu ra nối với khối Output để hiển thị lên máy tính

- Khối Output: Nhận tín hiệu số từ vi điều khiển và hiển thị lên máy tính qua cổngUSB

- Khối nguồn: Có chức năng cấp nguồn điện áp 1 chiều cho vi điều khiển, môđuncảm biến dòng và các linh kiện liên quan của mạch

2.3 Thiết kế, chế tạo mạch đo

- Vi điều khiển: Atmega 8 (hình 19) và chân đế

- Mô đun cảm biến dòng: ACS712 5A (hình 20)

- Bộ nguồn: 1 jac DC, 1 ổn áp LM7805, 2 tụ hóa 2200F/16V

Hình 19: Mạch đo điệp áp và cường độ dòng điện

2.4 Hoàn thiện mạch đo

Mạch đo chế tạo có một số hạn chế như:

- Nguồn dùng trực tiếp điện dân dụng thông qua một Adapter 5V, gây hạn chế vềkhông gian, vị trí thực nghiệm

- Kết nối trực tiếp với máy tính thông qua dây USB với giao thức UART, cũng gâyhạn chế về vị trí thực nghiệm và công sức thực nghiệm

- Dữ liệu chỉ có thể lấy trực tiếp, chưa có phương án lưu trữ, gây khó khăn trongviệc thu thập và xử lý dữ liệu

Do đó yêu cầu thiết kế và lắp ráp hoàn thiện mạch đo, vẫn giữ nguyên chức năng đo điện

áp, dòng điện và công suất, đồng thời có thêm các tính năng:

- Sử dụng nguồn pin rời, có khả năng cơ động không phụ thuộc vị trí có nguồn điện

- Lưu dữ liệu vào thẻ nhớ, phục vụ thu thập dữ liệu trong thời gian dài, không mấtcông sức chờ lấy dữ liệu trực tiếp

- Kết nối không dây lên máy tính, phục vụ kiểm tra trạng thái hoạt động từ xa, thuậntiện cho việc thu thập và xử lý dữ liệu

2.4.1 Lắp ráp hoàn thiện mạch đo

Hình 20: Nguồn pin cho mạch đo

- Module vi xử lý: Sử dụng chip vi xử lý PIC

Hình 21: Module vi xử lý PIC

- Module cảm biến dòng ACS 712-5A

Chức năng: đo dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall, cảm biến điện áp

Độ nhạy: 63 – 190mV/A

Hình 22: Module cảm biến dòng ACS712 – 5A

- Module thu phát không dây bằng wifi

Hình 24: Module thu và đưa dữ liệu lên máy tính qua cổng USB

Hình 25: Module truyền phát dữ liệu từ mạch đo

2.4.1.2 Lắp ghép mạch hoàn chỉnh

Sử dụng công cụ như mỏ hàn cùng các nguyên, phụ liệu như thiếc hàn, nhựa thông và cácdây nối để ghép các chi tiết, module thành mạch hoàn chỉnh

Hình 26: Các module sau khi được ghép nối

2.4.2.1 Chức năng đo điện áp, cường độ dòng và công suất

Tiến hành kiểm nghiệm độ chính xác khi đo các thông số của mạch bằng 2 phương pháp:

mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng điện Proteus 8.0 và đo thực nghiệm với mẫu thử.Tiến hành kiểm nghiệm bằng mô phỏng với mẫu thử là tín hiệu điện áp vào 12V, tải làđiện trở công suất 2,4 Kết quả mô phỏng thu được như trên hình 61

Tiếp tục kiểm tra chức năng đo các thông số điện áp, cường độ dòng điện và công suấtbằng thực nghiệm Ta sử dụng mẫu thử là 1 quả pin tiểu AA (pin con thỏ) với điện áp củapin là khoảng 1,5V Kết quả thu được cho thây điện áp đo được khoảng 1,49 đến 1,53Vnhư trên hình 62

Hình 28: Mô phỏng thử nghiệm chức năng đo của mạch

Hình 29: Kết quả kiểm nghiệm mạch với Pin AA

2.4.2.2 Chức năng hiển thị bằng kết nối không dây

Tiến hành thử nghiệm bằng cách đặt mạch đo tại một vị trí cách máy tính 100m để thửnghiệm bộ thu phát và hiển thị dữ liệu

Kết quả là bộ thu, phát hoạt động bình thưởng, dữ liệu thu được và hiển thị lên máy tínhkhông bị gián đoạn

Hình 30: Dữ liệu truyền về từ khoảng cách 100m

2.4.2.3 Thử nghiệm chức năng lưu kết quả lên thẻ nhớ

Với Module đọc thẻ nhớ MicroSD/TF hỗ trợ thẻ nhớ 1G, ta có thể đo và lưu dữ liệu lênthẻ nhớ để phục vụ công tác xử lý và lưu trữ Dữ liệu có thể được định dạng excel hoặctext tùy yêu cầu xử lý và dung lượng Em đã tiến hành thử cả 2 phương án, và đều chokết quả tốt, duy chỉ có điều lưu file trực tiếp dưới dạng Excel chưa thực sự thuận tiện choviệc xử lý do nguyên nhân hiển thị Vì thế, em quyết định để file lưu dưới định dạng textrồi mới chuyển qua excel để xử lý

Hình 31: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng Excel

Hình 32: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng text

2.4.3 Đánh giá khả năng làm việc và tính năng của mạch đo mới

2.4.3.1 Khả năng làm việc

Mạch đo được hoàn thiện và chế tạo mới cho thấy khả năng làm việc ổn định, độ chínhxác khá cao, độ tin cậy lớn hơn, tính năng mới ưu việt hơn mạch đo đã chế tạo trước đó

- Độ chính xác đo

- Khả năng cơ động với nguồn Pin rời

- Khả năng truyền phát dữ liệu

- Khả năng lưu trữ dữ liệu

- Khoảng cách truyền dữ liệu: 100m (có thể lớn hơn)

- Độ chính xác: Chỉ phụ thuộc module cảm biến dòng và có thể hiệu chỉnh

• Độ nhạy module cảm biến dòng: 63 – 190 mV/A

• Sai số đầu ra: 1,5%

- Lưu trữ dữ liệu với dung lượng tối đa 1G

- Tần số lấy mẫu (có thể điều chỉnh): 5 mẫu/giây

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.1 Mô hình Windbelt thực nghiệm trong ống khí động

Hình 33: Mô hình Windbelt trong thử nghiệm trong ống khí động

Do điều kiện thí nghiệm là trong ống khí động, với mục đích khảo sát các yếu tố ảnhhưởng đến hoạt động của Windbelt nên sử dụng mô hình đã chế tạo với kích thước nhỏ,các thông số cụ thể như sau:

- Cuộn dây: Sử dụng một cuộn dây 2500 vòng có sợi dây đường kính 0,12mm Haiđầu của cuộn dây được nối với một diode cầu chỉnh lưu để chỉnh lưu dòng điệnthành một chiều và qua 1 tụ lọc phẳng

- Nam châm: sử dụng 1 cặp nam châm vĩnh cửu có từ trường lớn, có hình dạng dẹt,tròn, kích thước (đường kính x độ dày) là 20x2mm

- Dây dao động: yêu cầu dây phải mảnh, chắc, chịu được tần suất biến dạng lớn Có

2 phương án tối ưu đó là sử dụng vài dù hoặc dây film camera Dây sử dụng cóchiều dài 30cm, rộng 1cm

- Khung: giá lắp đặt các thiết bị được làm từ gỗ ép 3mm, có khả năng điều chỉnh vịtrí, hướng, góc làm việc khác nhau

3.2 Thiết kế, chế tạo mô hình Windbelt thử nghiệm trong điều kiện thực tế

Windbelt đã được chế tạo và thử nghiệm trong ống khí động cho kết quả hoạt động được

ở tốc độ gió thấp, tuy nhiên công suất và điện áp sinh ra phụ thuộc vào mức độ ổn định

của gió, các tải (thiết bị điện tử nhỏ, đèn LED…) chỉ vận hành được khi có gió Vì thế,

em đề xuất 2 phương án phát triển, ưu hóa là:

- Về mặt khí động học: Thử nghiệm với mô hình có kích thước lớn hơn Nếu thờigian cho phép, có thể tiến hành tối ưu hóa thiết kế để giảm ảnh hưởng bởi độ ổnđịnh của gió

- Về mặt điện tử: Tiến hành chỉnh sửa, tối ưu các thiết bị như cuộn dây, các mạchđầu ra… Ngoài ra, thực hiện hoàn thiện các chức năng của mạch đo để phục vụcông tác đo thực nghiệm ngoài trời

- A : Diện tích quét (diện tích khi dây dao động quét được)

Từ công thức trên, ta thấy nếu coi mật độ không khí là không đổi, điều kiện gió tại cùngmột thời điểm, cùng một vị trí sẽ không đổi thì năng lườn gió mà Windbelt có thể hấp thụchỉ phụ thuộc vào diện tích quét

Hình 34: Minh họa diện tích quét của Windbelt

Diện tích quét được tính theo công thức:

0

2 L

A ydx [4]

Trong đó:

- yf x( ) : Phương trình đường cong dao động của dây (giả thiết có dạng Parabol)

- L : Chiều dài dây dao động

Từ công thức trên, ta có thể dễ dàng thấy được khi tăng chiều dài dây dao động thì diệntích quét của Windbelt tăng, kéo theo năng lượng gió mà nó hấp thụ tăng, dẫn đến tăngcông suất điện có thể sản sinh.

3.2.1.2 Cơ sở lý thuyết về mặt điện từ

Công suất điện mà Windbelt có thể sản sinh phụ thuộc điện áp và cường độ dòng điện:

P U I Tuy nhiên với mỗi tải tiêu thụ, công suất này có thể khác nhau, tùy thuộc điện trở của tải

Vì thế giá trị công suất phụ thuộc tải, thay vì xác định trực tiếp công suất, ta có thể thôngqua giá trị điện áp mà Windbelt sinh được Giá trị này có thể xác định theo công thức lýthuyết như sau:

c

U NfA B [5]

Trong đó:

- N : Số vòng của cuộn dây

- A c : Tiết diện vòng dây

- B : Cảm ứng từ (phụ thuộc nam châm)

, với v là vận tốc gió, d biên độ dao động của flutter

Ta thấy được điện áp phụ thuộc số vòng dây, tiết diện vòng dây, cảm ứng từ, tần số daođộng flutter Vì thế, để tăng điện áp, ta có thể tăng 1 trong các thông số trên hoặc tăng tấtcả

3.2.2 Tính toán sơ bộ

Dự kiến chế tạo mô hình với thông số như sau

- Chiều dài dây dao động: 700 mm

- Kích thước nam châm: 20 2 mm

- Số vòng dây: 500 vòng

- Đường kính vòng dây: 25 mm

- Cảm ứng từ của nam châm B0.02T

3.2.2.1 Năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ

Giả sử dây dao động qua 3 điểm với các tọa độ (0;0),(35;1,5),(70;0) Phương trìnhparabol dao động thu được là:

3 21,124 10 0.086

Năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ (ở vận tốc gió 5m/s):

c

d

A     m

: Tiết diện vòng dây

- B0.02T : Cảm ứng từ của nam châm

3.2.3 Thiết kế chi tiết

3.2.3.1 Thiết kế khung giá, trụ giữ dây dao động

Để phục vụ thử nghiệm nên phần khung sẽ được chia thành 2 phần là giá đỡ và trụ giữ,

có thể lắp ghép và tháo rời riêng biệt Giá đỡ có dạng tấm mỏng, trụ giữ có dạng khối vớicác tai được khoan lỗ, 2 chi tiết này được liên kết với nhau bằng bu lông

Kích thước cơ bản của giá đỡ:

• Chiều dài: 700mm

• Chiều rộng: 70mm

• Độ dày: 10mm